云弹药系统

李杰，游宁，李兵，关震宇，杨成伟

（1.北京理工大学机电学院，北京100081；2.复杂地面系统仿真重点实验室，北京100012）

云弹药系统

李杰1，游宁2，李兵2，关震宇1，杨成伟1

（1.北京理工大学机电学院，北京100081；2.复杂地面系统仿真重点实验室，北京100012）

随着云计算技术的蓬勃发展及在军事领域的广泛应用，使得大规模智能弹药协同作战成为可能。为了深化和扩展协同作战的内涵，从系统科学的角度出发，提出了云弹药系统的概念，基于协同学的相关理论对系统内涵进行了论述，并对系统的主要特征进行了机理分析和数学描述。给出了云弹药系统的主要功能，并对云弹药系统的发展趋势及亟需解决的问题进行了讨论。

兵器科学与技术；云弹药系统；自组织；作战效能

1　云弹药系统的概念及内涵

云弹药系统是基于分布式感知与计算和自主式组网与协同的弹药群系统。它具有协同搜索、协同感知、协同任务决策、协同攻击及毁伤效果评估等功能，其行为具有整体性与有机关联性、自组织性、自适应性、鲁棒性、演化性与自修复性等特征。

云弹药系统的概念按照“属+种差”进行表述［1］。云弹药系统的“属”是“弹药群系统”；“种差”是“分布式感知与计算”、“自组网”和“自主协同”。

云弹药系统由侦察、感知、攻击、毁伤效果评估等不同作战任务属性的子系统构成。根据云弹药系统各个子系统之间既相互独立又相互关联及复杂耦合的特点，按照系统协调的思路，进行系统整体优化设计，使各子系统相互协作、高效的完成云弹药系统总的作战任务，以实现云弹药系统战斗力的增效作用［2］。

考虑云弹药系统各子系统（如侦察子系统、感知子系统、攻击子系统、毁伤效果评估子系统等）h∈［1，m］，设其演化过程的序参变量（如感知能力、打击能力等）εh=（εh1，εh2，…，εhn），其中εhi∈［ahi，bhi］，ahi、bhi分别为子系统h第i个序参变量的下限和上限，一般情况下其范围满足0≤ahi＜bhi≤1.

则云弹药系统的有序度

云弹药系统的有序度uh（εhi）与序参变量εhi呈正相关关系。

从总体上来看序参变量对云弹药系统总体贡献可以通过uh（εhi）综合集成来实现：

式中：λhi为权重变量。

依据Haken［3］对协同的定义，云弹药系统的自主协同是指云弹药系统组成单元即单枚智能弹药间的相互协调配合以达到全系统的战术对抗目的。

2　云弹药系统的主要特征

2.1整体性与有机关联性

云弹药系统是由许多“弹药个体”组成，每个弹药个体是云弹药系统中的一个节点，每个节点自身的运动特征又与其他节点的运动相关，体现了云弹药系统整体性与有机关联性［4-5］。

Bertalanffy［6］分3个层面来描述系统的整体性与有机关联性之间的关系：

第1层：考虑系统的时变性，用微分方程组描述；

第2层：考虑系统的“时-空”特性，用偏微分方程组描述；

第3层：考虑系统的“时-空”特性及当前事件对过去事件存在依赖性，用微分积分方程组描述。

云弹药系统具有时变性、空间分布的流动性及当前状态对过去状态的依赖性特点，利用增补变量的方法［7-8］，使得云弹药系统各状态之间的转移构成一个广义Markov随机过程，建立基于状态转移的云弹药系统的微分-积分模型。

设C（t）为云弹药系统t时刻所处的状态，为得到一广义Markov过程，令Tj（t）为系统进入第j个状态的驻留时间，容易验证｛C（t），T（t），t＞0｝是一个广义Markov过程。

为了便于云弹药系统状态转移的概率分析，本文进一步进行了相关的定义：

式中：Pi（t）表示系统在t时刻处于i状态的概率；Pjk（x，t）表示系统处于状态j系统依靠自组织自修复到状态k所需时间为x的概率。

利用全概率公式求得状态转移的概率并求极限可得云弹药系统的微分-积分模型：

式中：λik表示系统从i到k状态的持续时间；r（x）表示系统遇到障碍、危险等自修复的风险函数。

2.2自组织性

云弹药系统依靠弹药个体去形成、改变并不断地完善系统的空间结构、时间结构和功能结构，个体通过自身形态、其他个体的形态、威胁障碍的形态以及目标信息等，调节自身的运动方向和速度，维持适当的距离，这个负反馈机制，便形成了云弹药特定的自组织［9-10］方式。

根据（4）式所建立的基于状态转移的云弹药系统模型，通过引入一个虚拟的力场，即云弹药系统中的个体之间通过增加一个排斥力/吸引力的作用［11-14］，只要个体之间的距离在某个阈值范围内，这个力的作用就显现出来了，当弹药个体间相互靠近时，排斥力增大，当达到一个危险的阈值时，排斥力趋于无穷大防止碰撞，当个体之间相互远离时，吸引力增大，实现云弹药系统群集的效果，从而实现云弹药系统的自组织行为。因此，云弹药系统自组织问题可以描述为求输入控制律使得系统实现稳定无碰撞的自我调整的行为。

云弹药系统自组织行为的控制输入由如下三部分组成：

式中：αi1为控制系统中个体之间的距离，使得个体间在不发生碰撞的情况下整体势能最小，即避碰、聚集；αi2为控制个体与目标之间的距离，使得个体能够快速到达目标点；βi用于调整系统中个体的速度，使得速度最终达到一致。

云弹药系统的自组织行为的控制律描述如下：

式中：pi=（xi，yi，zi）T为位置变量；Uij表示个体i、j之间的势能函数；pij=‖pi-pj‖2为系统中两个个体之间的距离；Uig为个体i与目标点g之间的势能函数；pig=‖pi-pg‖2为系统中个体i与目标点g之间的距离；vi为第i个体的速度变量；Ki、aij为常量。

2.3自适应性

当云弹药系统受到时空变化影响时，具有能自动适应这些环境变化的能力，如遇到山体、建筑物等障碍时具有自动避障能力，感受有源和无源干扰时的抗干扰能力。云弹药系统能根据外界条件的变化动态改变效能期望，从而及时响应战场的变化，体现出自适应［15-16］的优点，这样才能提高作战效能。自适应的目的就是使自己的效能函数在作战过程中最大化，即寻找策略s，使得效能期望值总和［17］达到最大。此处c0是初始状态，ut是t时刻的奖励，αt∈（0，1］是t时刻的贴现系数。

2.4鲁棒性

云弹药系统的鲁棒性［18］是指在作战过程中，如某个或某几个组成单元出现故障、通信中断、被毁等情况，通过高动态自组网及云计算技术，依据一定的规则，重新组合成一种优化稳定的状态，防止出现系统内的“真空”或“重叠”。

本文采用一个数组（E，M）来定量描述云弹药系统的鲁棒性，其中：E是云弹药系统作战环境的描述；M是作战任务状态的有限状态机，可用三元组（S（t），s0（t），T（t））来描述，S表示作战任务状态的集合，s0表示作战任务初始状态，T表示作战任务状态转移的概率矩阵。

2.5演化性与自修复性

演化性是云弹药系统的基本属性，云弹药系统的演化终极原因在于高度动态的相互作用及系统内部弹药个体之间的合作和博弈，呈现为一个动态过程。自修复性是云弹药系统的特殊属性，云弹药系统个体消亡后的自补充或者因为威胁、障碍等原因使得云弹药系统自我修复，体现了自修复的特性。根据群体智能的集群动态演化机理［19-20］，本文对云弹药系统的演化过程进行如下描述：

式中：c1、c2分别表示自组织过程中内部涨落力与外部涨落力的权重；r1、r2分别为［0，1］上随机变量、控制云弹药系统内个体的数量；E#为只存在内部涨落力的效能量；E*为只存在外部涨落力的效能量；E为云弹药系统的效能量；V为根据效能量所调整的变量。解释为通常演化中的云弹药系统，其效能量E中可能出现Ei≤0的情况，表明该个体被毁伤或离群并从云弹药系统中退出，其留下来的空缺由新进入弹药个体来代替。由于新进入个体顶替消亡或离群个体在系统中的作用，所以新进入个体必须对云弹药系统的决策集进行调整。

3　云弹药系统的功能

云弹药系统以C4KISR［21］作战体系为架构，其关键技术主要涉及自组网和自主协同技术，具体包括：分布式感知及信息融合技术、高动态自组网通信技术、协同决策与控制技术等。其功能主要体现以下几个方面：

3.1云感知功能

感知是云弹药系统的基础。云弹药系统在高度对抗的环境下，通过进行传感器资源整合，实现精确探测、定位、分类，从而达到对战场态势的认知，为云弹药系统的决策与控制提供数据支持。

3.2云计算通信功能

云弹药系统利用云计算技术形成各弹药节点之间及弹药与平台之间的组网通信，可实现多网融合和无缝链接问题，具有灵活的自主性大规模数据传输和抗截获、抗干扰能力，从而实现异构资源的信息交互与共享。

3.3云决策与控制的功能

利用云计算技术，通过云的相关理论把作战单元集成为一个高度自适应的综合决策云。云计算技术将贯穿于探测、识别、分类、跟踪、打击、毁伤效果评估这一完整的杀伤链中。云弹药系统按照作战任务使命，根据战场态势，指派最合适的作战单元去完成相应的作战任务，从而获得实时最大作战效能［22］。具体体现在如下两个方面：

3.3.1在线规划功能

云弹药系统执行任务过程中根据作战任务及突发状况进行实时重规划，提高作战响应的实时性。

3.3.2智能自主决策功能

云弹药系统不依赖外界指令和设备支持，在不确定的作战环境中利用综合决策云依靠自身的控制设备完成作战任务［15］。

3.4云毁伤及毁伤效果评估功能

云弹药系统通过实时的侦控打评和类似“狼群”的云毁伤功效，实现对战场目标的时空压制和整体毁瘫。具体体现在如下两个方面：

1）云弹药系统作战过程中能够对敌目标实施全覆盖地毯式的协同精确火力打击，以实现对敌目标的高效毁伤。

2）云弹药系统作战过程中可携带电磁脉冲、高功率微波、电子干扰与诱饵等新概念战斗部，实现对敌目标全区域、全方位的软杀伤，降低敌整体战斗力。

云弹药系统对目标实施侦察、监视及毁伤效果评估［23］是弹药间信息交互与协同攻击相结合自组织进行的，这是云弹药系统有别于其他弹药系统的一个主要特征。

4　展望

云弹药系统是一个崭新而富有挑战性的课题，随着后续相关关键技术研究与发展，可逐步实现云弹药系统所描述的功能，大幅度提高作战效能。

随着战场任务需求的进一步深化、相关理论与技术的进一步发展，云弹药系统的行为、功能分为基于网络技术的云弹药系统协同和基于网络与云计算技术的云弹药系统协同两大台阶进一步扩展，概念会进一步完善。

今后一个时期，云弹药系统需进一步研究的方面主要包括：

1）在理论建模方面，对云弹药系统中影响因素进一步细化研究，在模型的相关特性方面，如可控性、自修复性、适定性等。

2）在协同感知方面，在信息缺失的情况下快速有效地实现感知、分类、定位和跟踪等。

3）在高动态自组网通信方面，海量信息共享数据的处理及信息的在线快速迁移，以及在传输过程中的抗干扰、抗截获能力等。

4）在决策与控制方面，在线实时规划及在最短时间内最大效能地完成作战任务决策等。

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Cloud Ammunition System

LI Jie1，YOU Ning2，LI Bing2，GUAN Zhen-yu1，YANG Cheng-wei1
（1.School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Science and Technology on Complex Land System Simulation Laboratory，Beijing 100012，China）

The development of cloud computing technology and its wide application in the military field make the large-scale intelligent ammunitions possible to combat cooperatively.In order to deepen and expand the connotation of intelligent ammunition cooperative combat，the concept of cloud ammunition system is proposed from the perspective of system science.The system connotation is discussed based on synergetic theory，and the main features of the system are analyzed in terms of mechanism and mathematical logic.Finally，the main functions of the cloud ammunition system are provided，and the problems which need to be addressed and the development directions of the cloud ammunition system are discussed.

ordnance science and technology；cloud ammunition system；self organization；combat efficiency

N949

A

1000-1093（2015）02-0250-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.009

2014-12-09

李杰（1969—），男，教授，博士生导师。E-mail：lijie@bit.edu.cn